土体模量对高承台超长群桩基础承载性能的影响

黄凌君，刘纪峰，蒋景顺，陈续鸿

（1.三明学院 建筑工程学院，福建 三明365004；2.三明市高远公路建设开发有限责任公司，福建 三明365004）

土体模量对高承台超长群桩基础承载性能的影响

黄凌君1，刘纪峰1，蒋景顺2，陈续鸿2

（1.三明学院 建筑工程学院，福建 三明365004；2.三明市高远公路建设开发有限责任公司，福建 三明365004）

应用有限元软件GTS建立高承台超长群桩模型，利用现场静载试验数据修正模型参数，并分析桩周土模量改变条件下群桩的承载能力。结果表明：超长群桩承载力较单桩有较大幅度折减，且受桩周土模量影响明显；高承台超长群桩轴力和摩阻力随桩基深度变化曲线较低承台有所不同，并随着桩周土模量改变呈规律性变化。

土体模量；高承台；超长群桩；承载性能

超长群桩基础受力复杂，其力学性能的研究仍落后于工程实际，受试验条件限制，实际桩基工程主要根据单桩承载性能推断，具有很大地域性和离散型，因此研究超长群桩的承载特性具有较大的理论和实践意义[1-2]。目前，一些学者针对超长群桩承载力展开研究，主要包含理论计算和模型试验两方面，分析了群桩沉降、有效桩长计算、群桩效率系数计算、荷载-位移曲线、轴力及摩阻力随深度变化曲线等内容。关于不同设计参数及地质参数变化对超长群桩承载性能的影响研究方面，李海元等[2]利用有限元软件分析了桩距改变的效果；吴岿华等[3]则从承台厚度变化的角度进行阐述；王成华等[4]较为全面的探讨了承台、桩底地层条件、桩长、桩距、桩数等参数影响的作用；宋阮等[5]研究了桩端土层性质不同时，低承台和高承台群桩基础位移及轴力对比图；李俊伟等[6]通过模型试验方法，在密实粗砂土层中选择不同长细比、桩间距、桩长的群桩基础分析，得到有用的结论。刘原[7]改变参数专门针对群桩水平方向刚度和承载性能进行计算。李洋等[8]利用ABAQUS建立了超长群桩和土体相互作用的非线性数值分析模型，得出土体固结情况下桩侧负摩阻力随桩长和边载距离的变化规律。而已有研究中还未专门针对高承台超长群桩基础在桩周、桩底土体模量变化时的承载性能进行分析。笔者以国道205线三明市区过境段工程荆东互通主线桥92 m高承台超长群桩为例，利用现场自平衡试验数据修正GTS有限元模型参数，将土体模量增大或减小，研究对应的荷载-位移曲线、轴力及摩阻力曲线的变化规律，结论可为其他类似工程承载力研究提供借鉴。

MIDAS/GTS有限元软件具有强大的岩土模块分析处理功能。本文采用三维实体单元模拟土体，并假设同一层土体为均质、各向同性。鉴于Mohr-Coulomb模型应用简单，计算参数易获取[9]，故采用该弹塑性模型。群桩承台则利用混凝土弹性材料实体单元模拟。

由于超长桩长径比较大，因此采用梁单元线弹性体模拟，而桩土摩擦界面则采用GTS软件中特有的桩单元来模拟，桩端位置设置弹簧，以此分析端阻力的变化情况。

1 工程实例及有限元模型

1.1 工程概况

国道205线三明市区过境段工程荆东互通主线桥上部结构主跨采用72+130+72 m变截面悬浇连续箱梁，左右幅4个主墩位于平均水深14 m的沙溪河中，每个承台布置8根桩，桩径2.2 m，共有88 m和92 m超长桩各16根。其中92 m群桩承台底部高出地面线9.7 m，为高承台超长群桩。桩基穿过的地层主要是砂土状强风化构造岩、碎块状强风化构造岩和中风化构造带层，3种类型的土层均为多层分布，且彼此互相交替[10]。承台桩基布置图如图1所示。静载测试采用自平衡法，取1根92m长桩进行试验，加卸载分级进行。每级加载量为预估极限荷载的1/10～1/15，第一级可按2倍分级荷载加载。具体详见文献[10]。

1.2 有限元模型

1.2.1 建模及边界条件

考虑桩周和桩端土层的影响范围，土层水平范围X、Y方向分别取90 m，土层竖向总厚度取105 m；根据设计图92 m长桩超出土层表面高度为9.7 m；为划分网格方便，承台建模时由原设计弧形角变为直角；由于本文目的是分析土体模量改变对高承台群桩承载性能的影响，背景工程中不同风化程度构造岩交替分布的地层显然过于复杂，且按照实际复杂地层计算对论文结论并没有明显的影响。为了节省工作量，本文土体有限元模型假设按三层布置，从上到下分别为砂土状强风化构造岩，碎块状强风化构造岩及中分化构造岩。超长桩穿过不同风化程度构造岩层的总厚度按现场各岩层实际总厚度取值，持力层取为中风化构造岩；采用自由网格划分建立群桩模型，如图2所示。

图1 92m承台桩基布置图

图2 模型网格划分立面图

2.2.2 相关参数确定

土层分布情况和力学计算参数见表1所示。桩土接触面法向刚度kn可以取一较大值，数量级为100 GkN/m3，剪切刚度取为土体模量一个数量级，分别取300 GkN/m3和160 MPa。为方便摩阻力计算，假设不同风化程度构造岩与桩基接触面法向刚度、剪切刚度、最终剪力一致。最终剪力假设（代表计算能达到的最大侧摩阻力）按照200 kPa计算。参照文献[10]，自平衡试验极限荷载下实测桩端阻力为16 000 kN，桩端位移为7 mm，故GTS中桩端弹簧刚度按2 000 000 kN/m估算取值。

表1 地基土及桩的基本参数

2 计算结果分析

2.1 荷载沉降曲线

图3 单桩实测和计算Q-S曲线

参照文献[10]，将自平衡法荷载箱各级荷载转化为桩顶等效荷载，可以得到实测单桩顶等效Q–S曲线。由于图2有限元理论模型超长桩穿过不同风化程度构造岩层的总厚度按现场交叉分布各岩层实际总厚度取值，桩端弹簧刚度也按实际情况推算，另外超长桩承载力主要由桩侧摩阻力提供，将图2群桩改为仅1根92 m超长单桩计算的桩顶荷载位移曲线和实测单桩顶等效荷载位移曲线具有可比性，如图3。

图3计算时砂土状强风化构造岩土体模量取100 MPa，碎块状强风化构造岩土体模量取150 MPa，中风化构造岩土体模量300 MPa。理论计算和实测的桩顶Q-S曲线拟合结果较好，只是计算值比实测值略微大一些，说明模型中选取的土体和桩体材料、土体模量、本构关系、接触面参数及网格划分合理，能够模拟真实的试桩过程。二者都是缓变型曲线，试验尚未达到破坏荷载，主要是由于桩顶沉降偏大结束加载。根据图示，按位移40 mm控制[10]，对应实际桩顶等效荷载极限承载力为59 963 kN，计算桩顶荷载极限承载力为57 000 kN。

利用单桩承载力计算时的土体模量取值进行图2群桩有限元模型分析，由于群桩荷载在角桩、边桩、中心桩上并非均匀分布，为了方便比较，本文计算的是群桩平均桩顶位移。在进行土体模量影响分析计算时，考虑桩周和桩底土模量共同缩小5倍和10倍，桩周和桩底土模量共同增加5倍，仅桩底持力层土体模量减小10倍3种情况。结果如图4。

图4 群桩在不同土体模量下计算Q-S曲线

图4和图3比较可知，92 m超长群桩各桩仍然表现为缓变型承载特性，但承载力较单桩有较大幅度的折减。在正常土体模量条件下，按位移40 mm控制，群桩中基桩平均极限承载力仅为24 000 kN，为单桩计算桩顶荷载极限承载力57 000 kN的42%，说明超长群桩的承载力较单桩折减明显，不能一味通过增加桩长来提高承载力，可以考虑桩端后压浆技术减少沉降[11]。改变土体模量结果得出：在荷载相同时，群桩中基桩平均桩顶位移随土体模量缩小而增大，随土体模量增大而减小。但土体模量增大5倍桩顶位移减小幅度不如土体模量缩小5倍桩顶位移增加幅度，这是因为本文构造岩的土体模量比较大，增加土体模量后效果不明显。另外，仅持力层土体模量缩小的桩顶位移变化曲线在荷载增加时曲率明显较陡，说明持力层的土体模量对群桩顶位移影响程度是所有土层中最大的。

2.2 群桩计算轴力曲线分析

计算角桩、边桩、中心桩在平均桩顶荷载为22 739 kN下轴力随桩深度变化曲线，并将桩侧及桩端土体模量同时缩小10倍进行比较计算，如图5。

图5 群桩轴力随桩深变化曲线

图5可以看出，角桩轴力最大，边桩次之，中心桩最小，说明群桩中基桩荷载分配是不均匀的。桩的计算轴力随桩深度增加呈非线性减小，在约10 m范围之内，轴力几乎不变，这是因为桩基高出地面9.7 m，该段落不受土体摩阻力作用，故轴力随桩长不会变化，图中-10 m以下桩身上段斜率变化较缓，中段稍微变陡，下段斜率变化最快，说明轴力变化曲线随深度衰减快慢与桩周土体模量关系密切，下段中风化构造岩土体模量大，则曲线斜率变化明显，上段砂土状强风化构造岩土体模量相对较小，则收敛速度较慢。各桩轴力最后在桩底趋于相同，且数值较小，说明超长桩主要靠摩阻力传递荷载，桩端阻力较小。

比较桩顶轴力并计算可知，正常土体模量条件下，角桩、边桩和中心桩分别承受平均桩顶荷载的113%，109%，97%，轴力相差不大，说明在土体模量较大的构造岩条件下，桩顶轴力在基桩的分配较均匀。土体模量缩小后，桩顶轴力分配出现明显变化，土体模量减小10倍后角桩、边桩和中心桩分别承受平均桩顶荷载的139%，99%，69.2%，说明土体模量越小，桩顶轴力分配越不均匀。

对比文献[5]，低承台条件下由于承台底土层受压，使得桩基轴力分布与高承台群桩有所不同，低承台条件下轴力随深度并非一直减小，在桩上部有时会先减小后突增，变化规律与地质情况有关。

2.3 侧阻分析

计算角桩、边桩、中心桩在平均桩顶荷载为6 842.85 kN下摩阻力随桩深度变化曲线，并将桩侧及桩端土体模量同时缩小10倍进行比较计算，如图6。

图6 群桩摩阻力随桩深度变化曲线

由图6可知，群桩中角桩桩侧摩阻力最大，边桩次之，中心桩最小。这是因为中心桩在群桩包围之中，桩土间竖向位移受相邻桩影响最大，桩土相对位移减小，影响摩阻力发挥；各桩摩阻力随深度增加总体上呈现非线性递增趋势，最后趋于一致。由于承台的存在限制了群桩上部的桩土相对位移，从而使基桩上段的桩侧摩阻力发挥程度有所降低。参考文献[2]和[4]中低桩承台群桩摩阻力随桩深度变化曲线，图6桩摩阻力并非从零开始随深度递增，因为本文高承台离土表面有9.7 m，桩在土表面的摩阻力受承台限制不如低桩承台；桩侧及桩端土体模量同时缩小10倍后，群桩侧摩阻力随桩深度变化趋势总体不变，但角桩、边桩和中心桩摩阻力曲线更离散，且桩端侧摩阻力发挥程度不如正常情况土体模量，说明土体模量的减少使群桩中不同位置基桩和土的相对位移差别较大，桩端侧摩阻力发挥较慢。

3 结论

通过对高承台超长群桩在土体模量改变下的有限元承载能力分析，可以得到以下结论：

（1）超长群桩各桩仍然表现为缓变型承载特性，但承载力较单桩有较大幅度的折减。

（2）在荷载相同时，群桩中基桩平均桩顶位移随土体模量缩小而增大，随土体模量增大而减小，持力层的土体模量对群桩顶位移影响程度是所有土层中最大的。

（3）群桩中各基桩荷载分配是不均匀的，桩周土体模量越小，桩顶轴力分配越不均匀。

（4）群桩轴力变化曲线随深度衰减快慢与桩周土体模量关系密切，土体模量大，则曲线斜率变化明显，土体模量小，则收敛速度较慢。

（5）群桩中角桩桩侧摩阻力最大，边桩次之，中心桩最小。承台的存在限制了群桩上部的桩土相对位移，从而使基桩上段的桩侧摩阻力发挥程度有所降低。桩侧土体模量的减少使群桩中不同位置基桩和土的相对位移差别较大，桩端侧摩阻力发挥较慢。

[1]姜勇．超长群桩基础力学性能模拟分析[D]．兰州：兰州交通大学，2013．

[2]李海元，王成华．不同桩距超长群桩承载特性的有限元分析[J]．建筑技术开发，2013，40（5）：18－21．

[3]吴岿华，刘小虎，张天浩，等．承台厚度不同对超长群桩的影响分析[J]．科技创新导报，2010（8） ：31-33．

[4]王成华，李海元．超长群桩竖向承载特性的有限元分析[J]．低温建筑技术，2006（6）：92－94．

[5]宋阮，余昆，付军．桩端土层性质不同对超长群桩的影响分析[J]．交通科技，2013（3）：1－4．

[6]李俊伟，张涛，尹可芳．粗砂密实状态超长群桩承载性能试验分析[J]．山西建筑，2011（10）：72－74．

[7]刘原．超长钻孔灌注桩水平约束刚度及承载性能研究[D]．长沙：中南大学，2013．

[8]李洋，姚文娟．边载作用下相对桩长对超长桩负摩阻力的影响[J]．市政技术，2016（5）：190－194．

[9]吴鹏，龚维明，梁书亭，等．用三维有限元法对超长单桩桩端承载力的研究[J]．岩石力学，2006，27（10）：1795－1799．

[10]黄凌君，蒋景顺，蒋光炜．超长深水钻孔灌注桩自平衡法承载力测试技术的应用研究[J]．常州工学院学报，2017（1）：24－27．

[11]黄挺，龚维明，戴国亮．苏拉马都跨海大桥超长桩承载性能试验研究[J]．公路，2011（2）：217－222．

Construction of Pile Foundation of Super-long Pile Group with High Modulus Performance Impact Analysis

HUANG Ling-jun1,LIU Ji-feng1,JIANG Jing-shun2,CHEN Xu-hong2
（1.School of Civil Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China;2.Gaoyuan Highway Construction and Development Limited Liability Company in Sanming City,Sanming 365004,China）

The finite element software GTS was used to establish the model of super-long pile group.The parameters of the model were corrected by field static load test data,and the bearing capacity of pile group under the condition of soil mass change was analyzed.The results show that the bearing capacity of the super-long group pile is greatly reduced compared with that of the single pile,and the soil modulus of the pile foundation is obviously affected.The axial force and the friction resistance of the super-long pile group are different and it shows regular changes with the pile soil modulus.

soil modulus;high capacity platform;super long group pile;bearing capacity

U443.15

A

1673-4343（2017）06-0083-06

10．14098/j．cn35－1288/z．2017．06．013

2017-09-28

福建省中青年教师教育科研项目（JAT160455）

黄凌君，男，三明建宁人，讲师，工程师。主要研究方向：桥梁与隧道工程。

朱联九）